JP2002328117A - Microphone for photoacoustic gas sensor, and manufacturing method therefor - Google Patents

Microphone for photoacoustic gas sensor, and manufacturing method therefor

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JP2002328117A
JP2002328117A JP2001132483A JP2001132483A JP2002328117A JP 2002328117 A JP2002328117 A JP 2002328117A JP 2001132483 A JP2001132483 A JP 2001132483A JP 2001132483 A JP2001132483 A JP 2001132483A JP 2002328117 A JP2002328117 A JP 2002328117A
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JP
Japan
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electrode
cavity
microphone
gas sensor
photoacoustic gas
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Application number
JP2001132483A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Kihara
隆 木原
Hisatoshi Fujiwara
久利 藤原
Nobuaki Honda
宣昭 本田
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Azbil Corp
Original Assignee
Azbil Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microphone for a photoacoustic gas sensor of simple structure capable of enhancing detection sensitivity of the photoacoustic gas sensor. SOLUTION: This sensor is provided with the first corrugated electrode 21 provided to form one portion of a wall face of a cavity 10, and the second electrode supported by a backplate 23 contacting adjacently with the cavity and arranged opposedly with a prescribed distance in a reverse face side of the first electrode. In particular, the first electrode is formed using a corrugated shape provided by anisotropic-etching one face of an Si substrate 11 for forming the cavity, the second electrode is formed thereon via sacrifice layer 16, and the backplate is formed further. The Si substrate is selectively etched from its reverse face side, the first electrode is thereby exposed to form the cavity, and the sacrifice layer is etchedly removed to complete the microphone.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光音響ガスセンサ
に組み込まれて、ガスが導入されるキャビティ内の圧力
に感応するマイクロフォン光音響ガスセンサ用マイクロ
フォンおよびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microphone for a photoacoustic gas sensor incorporated in a photoacoustic gas sensor and responsive to a pressure in a cavity into which a gas is introduced, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【関連する背景技術】光音響ガスセンサは、特定種類の
ガスが特定波長の赤外線を吸収して熱膨張すると言う現
象を利用して、空気等の混合ガス中の特定種類のガス、
例えばCO2の濃度を検出するものである。即ち、特定
波長を有し、経時的に強さが変化する赤外線を空気に照
射すると、空気中に存在するCO2濃度が高い程、大き
な熱膨張・熱収縮が発生する。従ってこの現象を気圧
(音圧)の変化として検出すれば、これによって空気中
のCO2濃度を検出することが可能となる。ちなみにこ
の種の光音響ガスセンサは、基本的には図6に示すよう
にガスが導入されるキャビティ1と、このキャビティ1
内に赤外線を断続的にパルス照射する光源2と、前記キ
ャビティ1の壁面の一部(天井面)をなしてキャビティ
1内の音圧に感応するマイクロフォン3とを備えて構成
される。
[Related Background Art] A photoacoustic gas sensor utilizes a phenomenon in which a specific type of gas absorbs infrared rays of a specific wavelength and thermally expands, thereby using a specific type of gas in a mixed gas such as air.
For example, it detects the concentration of CO 2 . That is, when air is irradiated with infrared light having a specific wavelength and the intensity of which changes with time, the greater the CO 2 concentration in the air, the greater the thermal expansion and contraction. Therefore, if this phenomenon is detected as a change in atmospheric pressure (sound pressure), it becomes possible to detect the CO 2 concentration in the air. Incidentally, this type of photoacoustic gas sensor basically has a cavity 1 into which gas is introduced as shown in FIG.
The light source 2 includes a light source 2 for intermittently irradiating a pulse of infrared light, and a microphone 3 which forms part of a wall surface (ceiling surface) of the cavity 1 and is sensitive to a sound pressure in the cavity 1.

【0003】ところで最近、この種の光音響ガスセンサ
を、半導体デバイス製造技術を応用して小型化すること
が試みられている。この場合、前記キャビティ1は、赤
外光に対して透明なSi基板をエッチング加工して所定
の空間部を形成し、更にキャビティ1内にガスを導入す
るガス通流路4を設けた構造として製作される。そして
このガス通流路4には、通常、ガス拡散フィルタ5が設
けられる。このガス拡散フィルタ5は、微細な通気孔を
多数有するもので、ガスの通流を制限することでキャビ
ティ1内とその外部との間でのガス(空気)の通流(置
換)を維持しながら、前述した赤外光の吸収によるガス
の熱膨張に応じて、前記キャビティ1内の音圧を変化さ
せる役割を担う。
Recently, attempts have been made to reduce the size of this type of photoacoustic gas sensor by applying semiconductor device manufacturing technology. In this case, the cavity 1 has a structure in which a predetermined space is formed by etching a Si substrate transparent to infrared light, and a gas passage 4 for introducing a gas into the cavity 1 is provided. Be produced. The gas passage 4 is usually provided with a gas diffusion filter 5. The gas diffusion filter 5 has a large number of fine ventilation holes, and maintains the flow (replacement) of gas (air) between the inside and the outside of the cavity 1 by restricting the flow of gas. However, it plays a role of changing the sound pressure in the cavity 1 according to the thermal expansion of the gas due to the absorption of the infrared light described above.

【0004】尚、上記ガス拡散フィルタ5は、次の2つ
の役割を担う。その1つは、赤外線のパルス照射により
キャビティ1内に発生する急激な圧力変化(音圧)に対
して大きな気流抵抗体として作用し、キャビティ1内を
実質的に密閉状態に保ってその音圧がキャビティ1の外
部に伝わらないようにする機能である。他の1つは、温
度や気圧等の外部環境変化に起因するキャビティ1内に
おける緩慢な圧力変化(音圧)に対しては気流抵抗体と
して作用することなく、逆にキャビティ1内を外気に開
放した状態に保つ機能である。
[0004] The gas diffusion filter 5 has the following two roles. One of them is to act as a large airflow resistor against a sudden pressure change (sound pressure) generated in the cavity 1 due to the irradiation of the infrared pulse, and to maintain the inside of the cavity 1 in a substantially sealed state, thereby maintaining the sound pressure. Is a function of preventing the light from transmitting to the outside of the cavity 1. The other is that it does not act as an airflow resistor against a slow pressure change (sound pressure) in the cavity 1 due to a change in the external environment such as temperature or atmospheric pressure. It is a function to keep it open.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで光音響ガスセ
ンサの小型化に伴って光源2から断続的に変調して照射
される赤外光のキャビティ1内での光路長が短くなる傾
向がある。この為、ガスによる赤外光の吸収量が減少
し、ガスが十分に熱膨張しないので音圧の変化が小さく
なることが否めない。つまりガス濃度に対する検出感度
が悪くなる。これを補うには、例えば前記マイクロフォ
ン3の感度を高め、キャビティ1内に生じた音圧の変化
を高感度に検出することが必要である。しかしマイクロ
フォン3の感度を高めるにも限界があり、仮にマイクロ
フォン3の感度を高めても、耐雑音性等の新たな問題が
生じることが否めない。
By the way, as the size of the photoacoustic gas sensor is reduced, the optical path length in the cavity 1 of the infrared light which is intermittently modulated and emitted from the light source 2 tends to be shortened. For this reason, the amount of infrared light absorbed by the gas decreases, and the gas does not thermally expand sufficiently, so that it cannot be denied that the change in sound pressure becomes small. That is, the detection sensitivity for the gas concentration is deteriorated. To compensate for this, for example, it is necessary to increase the sensitivity of the microphone 3 and detect a change in sound pressure generated in the cavity 1 with high sensitivity. However, there is a limit in increasing the sensitivity of the microphone 3, and even if the sensitivity of the microphone 3 is increased, it is unavoidable that a new problem such as noise resistance occurs.

【0006】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、ガスが導入されるキャビティの
一部をなして設けられるマイクロフォンであって、上記
キャビティ内に生じた音圧の変化を確実に検出すること
ができ、光音響ガスセンサによるガス検出感度を高める
ことのできる簡易な構成の光音響ガスセンサ用マイクロ
フォンおよびその製造方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide a microphone provided as a part of a cavity into which gas is introduced, and a sound pressure generated in the cavity. It is an object of the present invention to provide a microphone for a photoacoustic gas sensor having a simple configuration capable of reliably detecting a change in the photoacoustic gas and enhancing the gas detection sensitivity of the photoacoustic gas sensor, and a method of manufacturing the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る光音響ガスセンサ用マイクロフォン
は、ガスが導入されるキャビティの一部をなして設けら
れて該キャビティ内の圧力に感応するものであって、前
記キャビティの壁面の一部をなして設けられる波形形状
の第1の電極と、前記キャビティに連接されたバックプ
レートにより支持されて上記第1の電極に所定の距離を
隔てて対向配置される第2の電極とを具備したことを特
徴としている。尚、上記第2の電極については、キャビ
ティの外側に設けるようにしても良く、逆にキャビティ
の内側に設けるようにしても良い。
In order to achieve the above-mentioned object, a microphone for a photoacoustic gas sensor according to the present invention is provided as a part of a cavity into which a gas is introduced, and is responsive to the pressure in the cavity. A wavy first electrode provided as a part of a wall surface of the cavity, and a predetermined distance from the first electrode supported by a back plate connected to the cavity. And a second electrode that is opposed to the second electrode. Note that the second electrode may be provided outside the cavity, or may be provided inside the cavity.

【0008】好ましくは前記キャビティは、半導体基板
に所定の開口面積の透孔を形成して構成されるものであ
って、前記第1の電極は上記透孔の一方の開口部を閉塞
して上記キャビティの一部をなすように設けられる(請
求項2)。また前記第1の電極または前記バックプレー
トは、前記キャビティに露出する側の面にコーテングさ
れたAu等の赤外光反射膜を備えることが好ましい(請
求項3)。
Preferably, the cavity is formed by forming a through hole having a predetermined opening area in a semiconductor substrate, and the first electrode closes one of the openings of the through hole. It is provided so as to form a part of the cavity (claim 2). Further, it is preferable that the first electrode or the back plate includes an infrared light reflecting film such as Au coated on a surface exposed to the cavity.

【0009】また本発明に係る光音響ガスセンサ用マイ
クロフォンの製造方法は、所定の開口ピッチのマスクを
用いて半導体基板としてのSi基板等の一面を、例えば
異方性エッチングして該Si基板の一面を波形形状に加
工し(第1の工程)、この波形形状に加工した前記Si
基板の一面に沿って第1の電極を形成(第2の工程)し
た後、上記第1の電極の上面に所定の厚みの犠牲層を形
成する(第3の工程)。次いでこの犠牲層の上に第2の
電極を形成した後(第4の工程)、この第2の電極を覆
ってバックプレートを形成すると共にこのバックプレー
トに所定の開口を形成して音響孔を形成する(第5の工
程)。そして前記Si基板をその裏面側から選択的にエ
ッチングして前記第1の電極を露出させる(第6の工
程)と共に、前記音響孔を介して前記犠牲層をエッチン
グ除去して(第7の工程)、前記キャビティに一体化さ
れる光音響ガスセンサ用マイクロフォンを形成すること
を特徴としている。
Further, according to the method of manufacturing a microphone for a photoacoustic gas sensor according to the present invention, one surface of a Si substrate or the like as a semiconductor substrate is anisotropically etched, for example, using a mask having a predetermined opening pitch. Is processed into a corrugated shape (first step), and the Si processed into this corrugated shape is processed.
After forming the first electrode along one surface of the substrate (second step), a sacrificial layer having a predetermined thickness is formed on the upper surface of the first electrode (third step). Next, after a second electrode is formed on the sacrificial layer (fourth step), a back plate is formed so as to cover the second electrode, and a predetermined opening is formed in the back plate to form an acoustic hole. It is formed (fifth step). Then, the Si substrate is selectively etched from its rear surface side to expose the first electrode (sixth step), and the sacrificial layer is removed by etching through the acoustic hole (seventh step). ), Forming a microphone for a photoacoustic gas sensor integrated with the cavity.

【0010】更に前記第1の電極または前記バックプレ
ートの前記キャビティに露出する側の面にAu等の赤外
光反射膜をコーティングする(第8の工程)ことを特徴
としている。
[0010] Further, the surface of the first electrode or the back plate exposed to the cavity is coated with an infrared light reflection film such as Au (eighth step).

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態に係る光音響ガスセンサ用マイクロフォンとその
製造方法について説明する。この光音響ガスセンサ用マ
イクロフォンは、図1および図2にその製造工程を分解
して示すようにして製造され、最終的には図2(d)に示
すようにガスが導入されるキャビティ10の一部をなし
て設けられて該キャビティ10内の圧力に感応するもの
として実現される。特にこのマイクロフォン20は、キ
ャビティ10の一部をなす第1の電極21を波形形状の
ものとし、この第1の電極21と対をなす第2の電極2
2を、前記キャビティ10に連接されたバックプレート
23により支持して上記第1の電極21の裏面側に所定
の距離を隔てて対向配置した構造を有する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A microphone for a photoacoustic gas sensor according to an embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same will be described below with reference to the drawings. This microphone for a photoacoustic gas sensor is manufactured by disassembling the manufacturing process in FIGS. 1 and 2, and finally, as shown in FIG. It is implemented as a part and is responsive to the pressure in the cavity 10. In particular, the microphone 20 has a first electrode 21 forming a part of the cavity 10 having a corrugated shape, and a second electrode 2 forming a pair with the first electrode 21.
2 is supported by a back plate 23 connected to the cavity 10, and has a structure in which the second electrode 2 is opposed to the back surface of the first electrode 21 at a predetermined distance.

【0012】このような特徴的な構造を有するマイクロ
フォン20の詳細について、その製造工程に従って以下
に説明すると、このマイクロフォン20は、キャビティ
10を形成するSi基板11上に直接形成される。具体
的にはキャビティ10を形成するためのSi基板11を
準備する。このSi基板11としては、例えば(10
0)面を主面とするSiウェハが用いられる。そして先
ず、このSi(100)基板11上に熱酸化膜12を成
長させ、フォトリソグラフィを用いて該熱酸化膜12
に、図1(a)に示すように所定の開口ピッチで長方形状
の孔13を開ける。
The details of the microphone 20 having such a characteristic structure will be described below in accordance with the manufacturing process. The microphone 20 is formed directly on the Si substrate 11 forming the cavity 10. Specifically, an Si substrate 11 for forming the cavity 10 is prepared. As the Si substrate 11, for example, (10
A Si wafer having the 0) plane as a main surface is used. First, a thermal oxide film 12 is grown on the Si (100) substrate 11, and the thermal oxide film 12 is formed by photolithography.
Then, as shown in FIG. 1A, rectangular holes 13 are formed at a predetermined opening pitch.

【0013】この熱酸化膜12に設ける長方形状の孔1
3については、例えば図3(a)に示すように、正方形状
の微小な孔を縦横に等間隔に配列したものであっても良
く、また図3(b)に示すように長方形状の孔を平行に設
けたもの、或いは図3(c)に示すように中央部から外側
に向けて順次その孔形状を長く延ばした枠状のものであ
っても良い。要は後述するように熱酸化膜12をマスク
としてSi基板11を異方性エッチングした際、その表
面に一様な波形形状をなす凹凸が形成されるようなマス
クパターンをなすものとすれば良い。
The rectangular hole 1 provided in the thermal oxide film 12
For example, as shown in FIG. 3 (a), small holes 3 may be arranged vertically and horizontally at equal intervals, or rectangular holes may be formed as shown in FIG. 3 (b). May be provided in parallel, or as shown in FIG. 3 (c), a frame shape in which the shape of the hole is gradually elongated from the center to the outside. In short, as described later, when the Si substrate 11 is anisotropically etched using the thermal oxide film 12 as a mask, a mask pattern may be formed so that unevenness having a uniform waveform shape is formed on the surface thereof. .

【0014】しかる後、この熱酸化膜12をマスクと
し、KOHまたはTMAH(トリメチルアンモニウムハ
イドライド)を用いて前記Si基板11を異方性エッチ
ングする。そして図1(b)に示すように該Si基板11
の表面に断面三角形状をなす複数の凹部14を前述した
マイクパターン形状に応じて形成し、マイクロフォン2
0における第1の電極21の形状を規定する波形形状を
前記Si基板11の表面に形成する[第1の工程]。
Thereafter, using the thermal oxide film 12 as a mask, the Si substrate 11 is anisotropically etched using KOH or TMAH (trimethylammonium hydride). Then, as shown in FIG.
A plurality of concave portions 14 having a triangular cross section are formed on the surface of the
Then, a waveform defining the shape of the first electrode 21 at 0 is formed on the surface of the Si substrate 11 [first step].

【0015】次いで上記マスクとして用いた熱酸化膜1
2を一旦除去した後、図1(c)に示すようにSi基板1
1の表面全体に、該Si基板11の表面を保護し、且つ
第1の電極21とSi基板11との絶縁をとるためのSi
2等の熱酸化膜(図示せず)を形成する。そしてこの
熱酸化膜(SiO2)上に、例えばCr/Au/Crからな
る第1の電極21を4/20/4nm厚に形成し、更に
この第1の電極21上にダイヤフラムとして用いる感光
性ポリイミド(図示せず)を1μm厚に形成する。即
ち、波形形状に加工したSi基板11の一面に沿って、
ダイヤフラムにより裏打ちされた第1の電極21を前記
Si基板11と絶縁して波形形状に形成する[第2の工
程]。
Next, the thermal oxide film 1 used as the mask
1 is removed, and then the Si substrate 1 is removed as shown in FIG.
1 to protect the surface of the Si substrate 11 and to insulate the first electrode 21 from the Si substrate 11 over the entire surface of the Si substrate 11.
A thermal oxide film (not shown) such as O 2 is formed. Then, on the thermal oxide film (SiO 2 ), a first electrode 21 made of, for example, Cr / Au / Cr is formed to a thickness of 4/20/4 nm, and a photosensitive film used as a diaphragm is formed on the first electrode 21. A polyimide (not shown) is formed to a thickness of 1 μm. That is, along one surface of the Si substrate 11 processed into the corrugated shape,
The first electrode 21 lined with the diaphragm is insulated from the Si substrate 11 to form a corrugated shape [second step].

【0016】しかる後、前記第1の電極21の上面に、
図1(d)に示すように犠牲層16とするAlを2μm厚
に形成する。この犠牲層(Al)16は、マイクロフォ
ン20における第2の電極22と上記第1の電極21と
の対向間距離(ギャップ)を規定する役割を担うもの
で、真空蒸着またはスパッタリングによりその膜厚を制
御しながら形成される[第3の工程]。
Thereafter, on the upper surface of the first electrode 21,
As shown in FIG. 1D, Al serving as the sacrificial layer 16 is formed to a thickness of 2 μm. The sacrificial layer (Al) 16 plays a role in defining a distance (gap) between the second electrode 22 and the first electrode 21 in the microphone 20, and the thickness thereof is reduced by vacuum evaporation or sputtering. It is formed while controlling [third step].

【0017】その後、上記犠牲層(Al)16の上に図
1(e)に示すように、例えばAu/Crからなる第2の電
極22を形成し、この第2の電極22を覆って図1(f)
に示すようにバックプレート23をなす感光性ポリイミ
ドを厚み10〜20μm程度に形成する[第4の工
程]。尚、上記第2の電極22については、後述するよ
うに犠牲層16のエッチングによる除去時の耐性を考慮
して、ここではAu/Crを用いてたが、犠牲層(Al)
16のエッチング液に対して耐性を有するものであれば
他の電極材料を用いることも勿論可能である。
Thereafter, as shown in FIG. 1E, a second electrode 22 made of, for example, Au / Cr is formed on the sacrificial layer (Al) 16, and the second electrode 22 is covered with the second electrode 22. 1 (f)
As shown in (4), a photosensitive polyimide forming the back plate 23 is formed to a thickness of about 10 to 20 μm [fourth step]. The second electrode 22 is made of Au / Cr in consideration of the resistance at the time of removing the sacrificial layer 16 by etching, as described later, but the sacrificial layer (Al) is used here.
Of course, other electrode materials can be used as long as they have resistance to the 16 etching solutions.

【0018】しかる後、感光性ポリイミドからなるバッ
クプレート23をパターニングして所定の開口を形成
し、このバックプレート23をマスクとして第2の電極
22を選択的にエッチングして、図2(a)に示すように
マイクロフォン20における空気抜きの機能を果たす複
数の音響孔24を形成する[第5の工程]。これらの音
響孔24は、前述した犠牲層(Al)16のエッチング
除去にも利用される。
Thereafter, a predetermined opening is formed by patterning the back plate 23 made of a photosensitive polyimide, and the second electrode 22 is selectively etched by using the back plate 23 as a mask, thereby obtaining a structure shown in FIG. As shown in (5), a plurality of acoustic holes 24 that function to release air from the microphone 20 are formed [fifth step]. These acoustic holes 24 are also used for etching and removing the sacrificial layer (Al) 16 described above.

【0019】次いで前記Si基板11の裏面に残されて
いる熱酸化膜17に、フォトリソグラフィを用いて長方
形状の孔を開ける。そしてこの熱酸化膜17をマスクと
し、KOHまたはTMAH(トリメチルアンモニウムハ
イドライド)を用いて前記Si基板11をその裏面側か
ら異方性エッチングして前記第1の電極(ダイヤフラ
ム)21を露出させ、図2(b)に示すように該Si基板
11の内側にキャビティ10をなす空間を形成する[第
6の工程]。このときSi基板11の裏面側から上記キ
ャビティ10の内部にAuをスパッタリングして、前記
第1の電極(ダイヤフラム)21の露出面およびSi基
板11のキャビティ10を形成した内壁面に数μm厚の
赤外光反射膜18を形成することが望ましい[第8の工
程]。
Next, a rectangular hole is formed in the thermal oxide film 17 remaining on the back surface of the Si substrate 11 by using photolithography. Then, using the thermal oxide film 17 as a mask, the Si substrate 11 is anisotropically etched from the back side using KOH or TMAH (trimethylammonium hydride) to expose the first electrode (diaphragm) 21. As shown in FIG. 2 (b), a space forming the cavity 10 is formed inside the Si substrate 11 [sixth step]. At this time, Au is sputtered into the cavity 10 from the back surface side of the Si substrate 11 so that a thickness of several μm is formed on the exposed surface of the first electrode (diaphragm) 21 and the inner wall surface of the Si substrate 11 where the cavity 10 is formed. It is desirable to form the infrared light reflection film 18 [eighth step].

【0020】しかる後、前記音響孔16を介して図2
(c)に示すように前記犠牲層16をエッチング除去し、
第1の電極21と第2の電極22との間に所定のギャッ
プ(空間)を形成することで[第7の工程]、光音響ガ
スセンサの音響セル(キャビティ)に一体化されたマイ
クロフォン20が完成される。ちなみにAlからなる犠
牲層16をエッチング除去は、そのエッチング液とし
て、例えばリン酸と硝酸との混合液(70℃)を用いて
行われる。
Thereafter, through the acoustic hole 16 shown in FIG.
As shown in (c), the sacrificial layer 16 is removed by etching.
By forming a predetermined gap (space) between the first electrode 21 and the second electrode 22 [seventh step], the microphone 20 integrated with the acoustic cell (cavity) of the photoacoustic gas sensor is formed. Be completed. Incidentally, the sacrificial layer 16 made of Al is removed by etching, for example, using a mixed solution of phosphoric acid and nitric acid (70 ° C.) as the etching solution.

【0021】尚、音響セルについては、Si基板11の
開口された裏面側に光学フィルタ基板(図示せず)を接
合してキャビティ10を完成させ、この光学フィルタ基
板を介して赤外光を導入し得るように構成するようにす
れば良い。しかし図2(d)に示すように前記Si基板1
1と同様に異方性エッチングによりキャビティ10をな
す空間を形成した別のSi基板19を前記Si基板11の
裏面側に接合し、より大きな空間(キャビティ)を形成
した音響セルを実現することも可能である。この場合に
は、上記Si基板19の開口された面に光学フィルタ基
板を接合するようにすれば良い。特にこのような構造と
すれば、キャビティ10内における赤外光の光路長を稼
ぐことが可能となる。またこのようにして2つのSi基
板11,19を接合してキャビティ10を形成する場合
には、その間にガス拡散フィルタを形成したスペーサ3
0を介在させるようにしても良い。
For the acoustic cell, an optical filter substrate (not shown) is joined to the back side of the Si substrate 11 where the opening is formed to complete the cavity 10, and infrared light is introduced through the optical filter substrate. What is necessary is just to make it possible to configure. However, as shown in FIG.
Similarly to the above, another Si substrate 19 in which a space forming the cavity 10 is formed by anisotropic etching is joined to the back surface side of the Si substrate 11 to realize an acoustic cell in which a larger space (cavity) is formed. It is possible. In this case, an optical filter substrate may be bonded to the open surface of the Si substrate 19. In particular, with such a structure, it is possible to increase the optical path length of the infrared light in the cavity 10. When the two Si substrates 11 and 19 are joined to form the cavity 10 in this manner, the spacer 3 having the gas diffusion filter formed therebetween is formed.
0 may be interposed.

【0022】かくして上述した如くして製造され、キャ
ビティ10の一部をなす第1の電極21を波形形状にし
たマイクロフォン20によれば、キャビティ10内の音
圧を受ける第1の電極21の面積を広くすることができ
るので、効果的にその高感度化を図ることができる。し
かも第1の電極(ダイヤフラム)21のキャビティ10
側の露出面が赤外光反射膜(Au)18によりコーティ
ングされているので、キャビティ10内に導入された赤
外光が波形形状をなす上記第1の電極(ダイヤフラム)
21により反射される。そしてSi基板11,19がなす
キャビティ10の内壁面にコーティングされた赤外光反
射膜(Au)18と相俟って、上記赤外光がキャビティ
10内で多重反射を繰り返すことになり、実質的にその
光路長を各段に長くすることが可能となる。
According to the microphone 20 manufactured as described above and having the waveform of the first electrode 21 forming a part of the cavity 10, the area of the first electrode 21 receiving the sound pressure in the cavity 10 is formed. Can be broadened, so that the sensitivity can be effectively increased. Moreover, the cavity 10 of the first electrode (diaphragm) 21
Since the exposed surface on the side is coated with the infrared light reflection film (Au) 18, the first electrode (diaphragm) in which the infrared light introduced into the cavity 10 forms a waveform.
It is reflected by 21. In combination with the infrared light reflecting film (Au) 18 coated on the inner wall surface of the cavity 10 formed by the Si substrates 11 and 19, the infrared light repeats multiple reflections in the cavity 10 and substantially. It is possible to increase the optical path length in each step.

【0023】この結果、キャビティ10内に導入された
ガス(例えばCO2)による赤外光の吸収量が大きくな
り、ガスの熱膨張を大きくすることができるので、その
音圧の変化を大きくすることが可能となる。換言すれば
低濃度のガスであっても、その音圧変化を大きくするこ
とができるので、音響セルとして検出感度を効果的に高
めることが可能となる。
As a result, the amount of infrared light absorbed by the gas (eg, CO 2 ) introduced into the cavity 10 increases, and the thermal expansion of the gas can be increased, so that the change in the sound pressure is increased. It becomes possible. In other words, even if the concentration of the gas is low, the change in sound pressure can be increased, so that the detection sensitivity of the acoustic cell can be effectively increased.

【0024】また上述した製造方法によれば、波形形状
をなす第1の電極(ダイヤフラム)21を容易に形成し
て高感度なマイクロフォン20を構築することができ
る。特にSiウェハ上で、複数のマイクロフォン20を
一括して、しかもその品質を揃えて製造することがで
き、また音響セルと一体にマイクロフォン20を形成す
ることができるので、その工業的利点が絶大である。
According to the above-described manufacturing method, the first electrode (diaphragm) 21 having a waveform can be easily formed, and the microphone 20 having high sensitivity can be constructed. In particular, since a plurality of microphones 20 can be manufactured collectively and with uniform quality on a Si wafer, and the microphones 20 can be formed integrally with the acoustic cell, the industrial advantage is enormous. is there.

【0025】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。例えば図4(a)に示すようにSi基板
11に等方エッチングによって複数の円弧状凹部14a
を形成し、これらの円弧状凹部14aにより形成される
波形形状をベースとして、図4(b)に示すような構造の
マイクロフォン20を実現するようにしても良い。また
図5(a)に示すように第2の電極22およびこの第2の
電極22を支持するバックプレート23を前記第1の電
極21に倣って波形形状として形成し、このバックプレ
ート23にAu等からなる赤外光反射膜18を形成する
ようにしても良い。但し、この場合には、図5(b)に示
すように、バックプレート23側にキャビティ10を設
けるようにし、図における上方側から赤外光をキャビテ
ィ10内に照射する構成とすることが好ましい。この
際、第1の電極(ダイヤフラム)21の形成に用いたS
i基板11をその裏面側からエッチングして、該第1の
電極(ダイヤフラム)21を露出させることは言うまで
もない。またキャビティ10の形成材料としては、Si-
Siのみならず、Siとガラスとを用いることも可能であ
る。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, as shown in FIG. 4A, a plurality of arc-shaped concave portions 14a are formed on the Si substrate 11 by isotropic etching.
And a microphone 20 having a structure as shown in FIG. 4B may be realized based on the waveform formed by the arc-shaped concave portions 14a. Further, as shown in FIG. 5A, a second electrode 22 and a back plate 23 supporting the second electrode 22 are formed in a waveform shape following the first electrode 21, and Au is formed on the back plate 23. Alternatively, the infrared light reflection film 18 made of, for example, may be formed. However, in this case, as shown in FIG. 5B, it is preferable to provide the cavity 10 on the back plate 23 side and to irradiate the infrared light into the cavity 10 from above in the figure. . At this time, the S electrode used for forming the first electrode (diaphragm) 21 was used.
It goes without saying that the i-substrate 11 is etched from the back side to expose the first electrode (diaphragm) 21. The material for forming the cavity 10 is Si-
Not only Si but also Si and glass can be used.

【0026】また赤外光反射膜18については、Al等
を用いることも可能であり、第1の電極21の形成材料
自体に赤外光反射機能を有する貴金属材料等を用いるよ
うにしても良い。更には第1の電極21の大きさや、そ
の波形形状をなす面の深さや波のピッチ等は、マイクロ
フォン20や音響セルに要求される検出感度仕様等に応
じて決定すればよいものである。またSi基板11に代
えて、他の半導体基板を用いてキャビティを形成するこ
とも可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施することができる。
The infrared light reflecting film 18 may be made of Al or the like, and the material for forming the first electrode 21 may be made of a noble metal material having an infrared light reflecting function. . Furthermore, the size of the first electrode 21, the depth of the surface forming the waveform, the pitch of the waves, and the like may be determined according to the detection sensitivity specifications required for the microphone 20 and the acoustic cell. Further, instead of the Si substrate 11, a cavity can be formed using another semiconductor substrate. In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the gist thereof.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、キ
ャビティの一部をなす第1の電極が波形形状をなしてい
るのでその検出感度を高めた光音響ガスセンサ用マイク
ロフォンを実現することができ、また第1の電極自体に
赤外光の反射機能を持たせることができるので、音響セ
ルとしてのガス検出感度を容易に高めることができる。
しかもキャビティをなす半導体基板をエッチングして第
1の電極の波形形状を規定してマイクロフォンを製作す
るので、その製造が極めて簡単であり、量産性にも優れ
る等の実用上多大なる効果が奏せられる。
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a microphone for a photoacoustic gas sensor whose detection sensitivity is enhanced because the first electrode forming a part of the cavity has a waveform. In addition, since the first electrode itself can have a function of reflecting infrared light, the gas detection sensitivity of the acoustic cell can be easily increased.
Moreover, since the microphone is manufactured by etching the semiconductor substrate forming the cavity and defining the waveform shape of the first electrode, the manufacture is extremely simple and has a great effect in practical use such as excellent mass productivity. Can be

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態に係る光音響ガスセンサ用
マイクロフォンの製造工程を段階的に分解して示す図。
FIG. 1 is a diagram showing a step-by-step disassembly of a manufacturing process of a microphone for a photoacoustic gas sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に続く光音響ガスセンサ用マイクロフォン
の製造工程と、これによって製作されるマイクロフォン
の概略的な構造を示す図。
FIG. 2 is a diagram illustrating a manufacturing process of the microphone for the photoacoustic gas sensor following FIG. 1 and a schematic structure of the microphone manufactured by the process.

【図3】Si基板の異方性エッチング用マスクとして用
いる熱酸化膜に形成する孔の形状例を示す図。
FIG. 3 is a view showing an example of the shape of a hole formed in a thermal oxide film used as a mask for anisotropic etching of a Si substrate.

【図4】本発明の別の実施形態に係る光音響ガスセンサ
用マイクロフォンの製造工程の要部と、マイクロフォン
の構造を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a main part of a manufacturing process of a microphone for a photoacoustic gas sensor according to another embodiment of the present invention, and a structure of the microphone.

【図5】本発明の更に別の実施形態に係る光音響ガスセ
ンサ用マイクロフォンの製造工程の要部と、マイクロフ
ォンの構造を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a main part of a manufacturing process of a microphone for a photoacoustic gas sensor according to still another embodiment of the present invention, and a structure of the microphone.

【図6】光音響ガスセンサの概略的な構造を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a schematic structure of a photoacoustic gas sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 キャビティ 11 Si基板 12 熱酸化膜(マスク) 14 凹部(波形形状) 16 犠牲層 17 熱酸化膜 18 赤外光反射膜 20 マイクロフォン 21 第1の電極(波形形状) 22 第2の電極 23 バックプレート 24 音響孔 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Cavity 11 Si substrate 12 Thermal oxide film (mask) 14 Concave portion (wave shape) 16 Sacrificial layer 17 Thermal oxide film 18 Infrared light reflection film 20 Microphone 21 First electrode (wave shape) 22 Second electrode 23 Back plate 24 sound holes

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本田 宣昭 東京都渋谷区渋谷2丁目12番19号 株式会 社山武内 Fターム(参考) 2F055 AA39 BB20 CC02 DD05 EE25 FF11 GG01 GG15 HH05 HH19 2G047 AA01 CA04 GB11 GB32 GD02 4M112 AA01 AA03 BA07 CA03 CA04 CA11 CA13 DA04 EA03 EA14 FA01  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Nobuaki Honda 2-12-19 Shibuya, Shibuya-ku, Tokyo F-term (reference) 2F055 AA39 BB20 CC02 DD05 EE25 FF11 GG01 GG15 HH05 HH19 2G047 AA01 CA04 GB11 GB32 GD02 4M112 AA01 AA03 BA07 CA03 CA04 CA11 CA13 DA04 EA03 EA14 FA01

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ガスが導入されるキャビティの一部をな
して設けられて該キャビティ内の圧力に感応するマイク
ロフォンであって、 前記キャビティの壁面の一部をなす波形形状の第1の電
極と、 前記キャビティに連接されたバックプレートにより支持
されて上記第1の電極に所定の距離を隔てて対向配置さ
れる第2の電極とを具備したことを特徴とする光音響ガ
スセンサ用マイクロフォン。
1. A microphone provided as a part of a cavity into which a gas is introduced and responsive to a pressure in the cavity, comprising: a first electrode having a corrugated shape forming a part of a wall surface of the cavity; A microphone for a photoacoustic gas sensor, comprising: a second electrode supported by a back plate connected to the cavity and opposed to the first electrode at a predetermined distance.
【請求項2】 前記キャビティは、半導体基板に所定の
開口面積の透孔を形成して構成されるものであって、 前記第1の電極は、上記透孔の一方の開口部を閉塞して
設けられるものである請求項1に記載の光音響ガスセン
サ用マイクロフォン。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the cavity is formed by forming a through hole having a predetermined opening area in the semiconductor substrate, and wherein the first electrode closes one opening of the through hole. The microphone for a photoacoustic gas sensor according to claim 1, which is provided.
【請求項3】 前記第1電極または前記バックプレート
は、前記キャビティに露出する側の面にコーテングされ
た赤外光反射膜を備えてなる請求項1または2に記載の
光音響ガスセンサ用マイクロフォン。
3. The microphone for a photoacoustic gas sensor according to claim 1, wherein the first electrode or the back plate includes an infrared light reflecting film coated on a surface exposed to the cavity.
【請求項4】 ガスが導入されるキャビティの一部をな
して設けられて該キャビティ内の圧力に感応するマイク
ロフォンの製造方法であって、 所定の開口ピッチのマスクを用いて半導体基板の一面を
エッチングして該半導体基板の一面を波形形状に加工す
る第1の工程と、 上記波形形状に加工された前記半導体基板の一面に沿っ
て第1の電極を形成する第2の工程と、 上記第1の電極の上面に所定の厚みの犠牲層を形成する
第3の工程と、 上記犠牲層の上に第2の電極を形成する第4の工程と、 この第2の電極を覆ってバックプレートを形成すると共
に、このバックプレートをパターニングして所定の開口
を形成して音響孔を形成する第5の工程と、 前記半導体基板をその裏面側から選択的にエッチングし
て前記第1の電極を露出させる第6の工程と前記音響孔
を介して前記犠牲層をエッチング除去する第7の工程
と、 を具備したことを特徴とする光音響ガスセンサ用マイク
ロフォンの製造方法。
4. A method of manufacturing a microphone provided as a part of a cavity into which a gas is introduced and responding to pressure in the cavity, wherein one surface of the semiconductor substrate is formed using a mask having a predetermined opening pitch. A first step of etching and processing one surface of the semiconductor substrate into a corrugated shape; a second step of forming a first electrode along the one surface of the semiconductor substrate processed into the corrugated shape; A third step of forming a sacrifice layer having a predetermined thickness on the upper surface of the first electrode, a fourth step of forming a second electrode on the sacrifice layer, and a back plate covering the second electrode Forming a predetermined opening by patterning the back plate to form an acoustic hole; and selectively etching the semiconductor substrate from the back side thereof to form the first electrode. Exposed 6. A method for manufacturing a microphone for a photoacoustic gas sensor, comprising: a sixth step; and a seventh step of etching and removing the sacrificial layer through the acoustic hole.
【請求項5】 請求項4に記載の光音響ガスセンサ用マ
イクロフォンの製造方法において、 更に前記第1の電極または前記バックプレートの前記キ
ャビティに露出する側の面に赤外光反射膜をコーティン
グする第8の工程を含むことを特徴とする光音響ガスセ
ンサ用マイクロフォンの製造方法。
5. The method for manufacturing a microphone for a photoacoustic gas sensor according to claim 4, further comprising coating an infrared light reflecting film on a surface of the first electrode or the back plate exposed to the cavity. 8. A method for manufacturing a microphone for a photoacoustic gas sensor, comprising:
【請求項6】 前記第1の工程は、半導体基板の一面を
異方性エッチングするものである請求項4に記載の光音
響ガスセンサ用マイクロフォンの製造方法。
6. The method for manufacturing a microphone for a photoacoustic gas sensor according to claim 4, wherein the first step includes anisotropically etching one surface of the semiconductor substrate.
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